热工控制系统课程设计模板

1、热工控制系统课程设计气温控制系别动力工程系专业班级热能 13K4学生姓名王巧珍指导教师孙群丽二一六年十二月华北电力大学科技学院本科课程设计目录1前言 .12多容对象动态特性的求取 . .22.1导前区 .错误！未定义书签。2.2惰性区 .43单回路系统参数整定 .53.1广域频率法确定调节数 .53.2临界比例带法确定调节器参数 .63.3比例、积分、微分调节器的作用 .84串级回路系统参数整定 . .124.1主蒸汽温度串级控制系统参数整定 .125北京国电智深气温控制系统 SAMA图分析 .165.1过热器一级减温系统 . .165.2过热器二级减温系统 . .17总结 . .18参考文献

2、 . .19华北电力大学科技学院本科课程设计1 前言汽温控制系统作为电厂三大控制系统之一，蒸汽温度的稳定对于电厂的安全经济运行非常重要。汽温过高，会引起锅炉受热面及管道金属材料的蠕变速度加快，部件机械强度降低，导致受热面超温爆管， 设备寿命缩短甚至损坏； 汽温过低， 会降低机组循环热效率，煤耗增大；汽温变化过大， 会使管材及有关部件产生疲劳， 汽轮机转子和汽缸的胀差变化，导致汽轮机剧烈振动，危及机组安全。汽温控制的任务是维持主、再热汽温在规定值或允许的范围内（± 5）， 而影响汽温变化的因素很多 , 主要有锅炉负荷、炉膛过量空气系数、给水温度、燃料性质、受热面污染情况和燃烧器的运行方

3、式等； 且主汽温被控对象本身具有大迟延、 大惯性和时变特性。因此这些因素使得常规控制方法的控制性能指标不够理想。为此人们一直试图利用改变一些对生产过程影响的种种扰动，以控制目标值的恒定， PID 控制理论从此应运而生。以前锅炉系统比较简单，单回路的控制系统基本上可以满足控制要求。但是随着科技的发展，单回路控制系统已经不能满足控制系统的性能要求，需要采用功能更完善的多回路控制系统或其他复杂的控制系统来完成。因此过热蒸汽的汽温控制是十分重要的。1华北电力大学科技学院本科课程设计2 多容对象动态特性的求取主汽温被控对象本身具有大迟延、大惯性和时变特性，有自平衡能力的高阶对象的阶跃响应可用迟延环节和一

4、阶惯性环节串联来等效阶跃响应曲线如图K传递函数的形式为W ( s)(Ts1)n在阶跃响应曲线上，求得 y(t1)0.4y()及 y(t2)0.8y()时对应的时间 t1、t2 后，利用下式求阶数 n：利用两点法公式可知：由曲线可知放大系数K, 利用两点法可确定t1 ，t2 ，利用如下公式计算对象阶次和惯性时间。2n1.075t1 0.5Tt1 t 2t2 t12.16 n上式求得的 n 值不是整数时，应选用与其最接近的整数。某主气温对象在100%的负荷下导前区和惰性区对象传递函数，可以用两点法求上述K主汽温对象的传递函数， 传递函数形式为W(s)= 错误！未指定书签。(Ts+1) n ,利用

5、Matlab求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象传递函数。2.1导前区0.815100%负荷下导前区动态特性为：，运行 Matlab, 建立仿真组态图如下图，324s236 s12华北电力大学科技学院本科课程设计修改仿真时间为 400 秒。点击运行，通过双击Scope可以查看仿真结果。在 matlab 命令窗口输入：num=0.815;den=324 36 1;step=num den;回车后可得到对象的阶跃响应曲线如下图所示:3华北电力大学科技学院本科课程设计在图上取两点后为：利用两点法公式可知：有曲线可知放大系数K=0.815t1=24.8t2=53.4t1/t2=0.4642n1.0

6、75t1 0.5 =2Tt1 t 218.102t2 t12.16 n即可根据阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数：0.815W（s）=2（18.102s 1)2.2惰性区100%负荷下惰性区动态特性为：1.2766543238806720s+ 12654365s+1719343s+124590s+5078s+ 110s+ 1在 matlab 命令窗口输入：num=1.276;den=388067201265436517193431245905078110 1;step(num,den);回车后可得到对象的阶跃响应曲线如下图所示：4华北电力大学科技学院本科课程设计在图中取两点后为 :利用两点法

7、公式可知：将曲线放大可知放大系数 K=1.276 利用两点法可确定 t1=93.5 , t2=145， t1/t2=93.5/145=0.645t1+t293.5145所以 n=6 T= 2.16n =2.16*6 18.403即阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数为：1.276W s1 618.403S3 单回路系统参数整定利用第一部分建立的对象传递函数，就行参数整定。为便于分析，可以采用第一部分建立的主汽温对象的惰性区对象（为一多容惯性环节）进行参数整定。1.276，计算确定 : Kp11.856对于对象 W s1 61.276(cos / 6) 618.403S3.1 广域频率法确定调节

8、器参数调节器采用比例调节器，WT ( S)Kp ,以衰减率0.75 为整定指标：1 .27601 Kp0S31618 .41e2 m0.75m0.221Smwwj 为闭环特征方程的根，由1 .27660得：1 Kp18 .403 S15华北电力大学科技学院本科课程设计1.276 Kp(1m wTjwT )6(1 m wT ) 26j 6tg 1wT( wT ) 2 2e1 mwT6Kp ( 1 m wT ) 2( wT ) 2 21.2766tg 1wT1 m wTwTtg0.57741 m wT6wT0.512求得 Kp0.910 ,3.2 临界比例带法确定调节器参数由等幅振荡法确定调节器参

9、数。对于上述 n 阶惯性环节，可以通过计算确定系统等幅震荡的周期和出现等幅振荡时的比例调节器参数 Kp。注意采用等幅振荡法确定调节器参数时相当于系统衰减率 m0 =0，系统振荡周期为： T=2/ 。通过计算确定调节器参数后，在 matlab 中进行仿真分析，观看实际系统效果是不是正确。1.276，计算确定 : Kp1对于对象 W s18.403S 1 61.276(cos / 6) 61.856运行 Matlab, 建立仿真组态图如下图：6华北电力大学科技学院本科课程设计采用等幅振荡法通过试凑法逐步确定等幅振荡时比例调节器的比例增益，和计算确定的调节器参数进行比较。 将计算确定的参数 Kp=1

10、.8527 。投入系统运行 ,系统结构如下图所示：根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的等幅振荡周期，可以查临界比例带参数表确定当系统衰减率0.75 时：110.536Tk 200K1.866Kp1）P 调节器Kp11与广义频率特性法计算所得值相近2 k20.9330.5362）PI 调节器7华北电力大学科技学院本科课程设计1Kp2.2K I2.210.848k 2.2 0.536110.005K0.85TK2.20.5360.85200在 matlab中进行仿真分析，实际系统效果图形为：3) PID 调节器111.117K P1.670.5361.67kK I110.01120.5TK1

11、.670.5360.52001.67KTD0.25Ti0.25 0.5Tk0.250.5200K D1.671.6727.93k0.536将计算确定的参数 K P1.117 ,K I0.0112 ,K D27.93 。投入闭环系统运行，观察运行效果3.3 比例、积分、微分调节器的作用1）增大和减小 K P 对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：K p 增大时，当 K p1.5时8华北电力大学科技学院本科课程设计K p 减小时，当 K p0.9 时：2）增大和减小 K i 对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：K i 增大时，当 K i0.015 时：9华北电力大学科技学院本科课

12、程设计K i 减小时，当 K i0.009 时3）增大和减小 K d 对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下K d 增大时，当 K d35.00 时：K d 增大时，当 K d24.00 时：10华北电力大学科技学院本科课程设计4）同时改变 K pK iK d对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：如 K p =1.20K i =0.02K d =35.00 时：通过改变 K P , K I , K D 的大小，观察阶跃响应曲线，可知比例作用可使调节过程趋于稳定，但在单独使用时，使被调量产生静态偏差；积分作用能使被调量无静态偏差，但单独使用时，会使调节过程变成振荡甚至不稳定；微分作

13、用能有效地减少动态偏差，但不能单独使用。11华北电力大学科技学院本科课程设计4 串级回路系统参数整定4.1 主蒸汽温度串级控制系统参数整定本实验以某 300MW机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所示：图 4-1 过热汽温串级控制系统原理结构图由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：过热汽温串级控制系统中主调节器 WT1 s 采用比例积分微分 （PID）调节器，其传递函数为：WT1 s1 11Td 1sK p1K i1 1K d 1s1Ti1ss过热汽温串级控制系统中副调节器WT 2s 采用比例（ P）调节器，其传递函数为：WT 2 s1K p 22打开一个 Sim

14、ulink 控制系统仿真界面， 根据过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：12华北电力大学科技学院本科课程设计串级控制系统参数整定步骤如下：1、首先整定内回路，即副调节器参数的整定将过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1 设为 0（即断开主回路的反馈），同时令主调节器的比例系数K p11，积分系数 K i10 ，微分系数 K d 10 。将阶跃信号输出模块（ Step）的终值（ Final value）设为过热蒸汽温度的稳态值 535，仿真时间设为 1000s，逐渐增加副调节器的比例系数 K p 2 ，在响应曲线显示器 Scope1 中观察温度 t2 的变化，使温度 t 2

15、 尽快达到稳定，并尽量接近稳态值 419.28o C ，此时的比例系数 K p 2 即为副调节器的比例系数。调节完成后得： K p 24.5 ,仿真运行效果如下图：2、整定外回路，即主调节器参数的整定13华北电力大学科技学院本科课程设计图中主回路反馈系数r1 改为 1，副调节器的比例系数K p2 保持上一步的整定参数不变，仿真时间设 1000s，逐渐增加主调节器的比例系数K p1 ，在响应曲线显示器Scope 中观察温度 t1的变化，直至响应曲线出现等幅振荡，记下此时的比例系数K p1 k1同时通K p1过响应曲线可以确定振荡周期Tk ，查表即可确定调节器参数值调节完成后由图得：K p12.0

16、2Tk220其仿真运行图如下：11k0.495计算主调节器的各参数：Kp12.02查表确定参数为：K p1111.20971.671.67k0.495K i1110.01101.670.5Tk1.670.495k0.5 220K d 10.250.5Tk0.250.5 22033.2671.671.670.495k整定结果 t1 的变化如图所示：14华北电力大学科技学院本科课程设计3、在 500s时加入减温水扰动后的t1 的变化如图所示 :4、当负荷变成 75%后并且主副调节器参数不变时，t1 的变化曲线如图所示：负荷升高以后，系统的动态偏差变小，达到平衡的时间变短了。15华北电力大学科技学院

17、本科课程设计5北京国电智深气温控制系统SAMA图分析5.1 过热器一级减温系统1、 SAMA图：2、工作原理：一级减温调节系统包括一个喷水调节阀，两个过热器入口蒸汽温度，A、B 侧过热器出口蒸汽温度（各一个）。调节系统采用串级控制，为提高负荷响应特性，副调节器引入总风量作为前馈信号。 主、副调节器都采用 ADAPT参数调整方式， 便于变参数调节。 另外，主调节器还增加了 SMITH 预估控制器。一级减温调节系统温度定值是负荷（主蒸汽流量）的函数，运行人员在M/A 站上可以对温度定值进行偏置。调节系统手动时，副调节器输出自动跟踪M/A 站手动输出，主调节器输出自动跟踪入口温度信号， 故调节系统手

18、、 自动无扰切换。 另外，调节系统手动时， M/A 站出口汽温定值偏置自动跟踪反向计算的定值偏差信号，即实现定值自动跟踪测量值，故手、自动切换，定值无扰。16华北电力大学科技学院本科课程设计5.2 过热器二级减温系统1、 SAMA图：17华北电力大学科技学院本科课程设计2、工作原理：A、 B 侧二级减温调节系统是分别独立的串级控制系统，各包括一个喷水调节阀，两个过热器入口蒸汽温度， 1 个过热器出口蒸汽温度。调节系统采用串级控制，为提高负荷响应特性，副调节器引入总风量作为前馈信号。 主、副调节器都采用 ADAPT参数调整方式，便于变参数调节。另外，主调节器还增加了 SMITH 预估控制器。二级减温调节系统